DE19750589A1

DE19750589A1 - Wärmekraftmaschine mit verbessertem Wirkungsgrad

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Publication number: DE19750589A1
Application number: DE19750589A
Authority: DE
Inventors: Martin Dr Ing Ziegler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-11-17
Filing date: 1997-11-17
Publication date: 1999-05-27
Anticipated expiration: 2017-11-18
Also published as: DE19750589C2; BR9812786A; TW394814B; AU1665599A; EP1032750A1; WO1999025955A1; CN1278890A; IL136033A0; ID27051A; JP2001523786A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umsetzung von Wärme energie in mechanische Energie in einer Wärmekraftmaschine bei dem der thermische Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine gestei gert wird, ohne daß die obere und/oder die untere Kreisprozeß- Temperatur verändert werden muß. Außerdem betrifft die Erfindung eine Wärmekraftmaschine zur Durchführung dieses Verfahrens.

Wärmekraftmaschinen sind Energiewandler, die zugeführte Wärmeenergie über einen thermodynamischen Kreisprozeß in Wellen arbeit (= kinetische Energie) umwandeln. Hierzu wird einem Arbeitsmedium innerhalb der Maschine auf hohem Temperaturniveau Wärmeenergie zugeführt und nach Durchlaufen des Kreisprozesses zu einem Teil auf niedrigem Temperaturniveau wieder entzogen. Die Differenz zwischen zugeführter und abgeführter Menge an Wärmeenergie entspricht im Idealfall der von der Maschine abgegebenen Wellenarbeit.

Der thermische Wirkungsgrad des Kreisprozesses einer solchen Maschine ist das Verhältnis zwischen erzielter Wellenarbeit und eingesetzter thermischer Primärenergie. Er wächst mit der Höhe der Differenz zwischen der oberen und der unteren Prozeßtempe ratur und kann maximal den Wert einer idealen Carnot-Maschine erreichen. Der maximal erreichbare thermische Wirkungsgrad des Kreisprozesses ergibt sich aus dem Satz von Carnot:

η = (T_o-T_u)/T₀

wobei η der maximale thermische Wirkungsgrad des Kreispro zesses, T_o die obere Prozeßtemperatur und T_u die untere Prozeß temperatur ist.

Um pro eingesetzter Einheit an thermischer Primärenergie eine möglichst hohe Ausbeute an Wellenarbeit bzw. kinetischer Energie zu erzielen, muß eine Wärmekraftmaschine über einen möglichst hohen thermischen Wirkungsgrad verfügen. Dieses Ziel läßt sich durch eine Steigerung des Wirkungsgrades des Kreisprozesses erreichen. Hierzu ist nach dem Satz von Carnot entweder die Senkung der unteren Prozeßtemperatur und/oder die Steigerung der oberen Prozeßtemperatur erforderlich. Der Steigerung der oberen Prozeßtemperatur sind aufgrund der Temperaturfestigkeit der bei einer Wärmekraftmaschine verwendeten Werkstoffe Grenzen gesetzt. Auch der Absenkung der unteren Prozeßtemperatur sind Grenzen gesetzt, da die Abwärme bei herkömmlichen Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine in die Umgebung abgeführt wird und somit die natürliche Grenze zur Senkung der unteren Prozeßtemperatur durch die Umgebungstemperatur der Wärmekraft maschine vorgegeben ist (zweiter Hauptsatz der Thermodynamik). Zur Absenkung der unteren Prozeßtemperatur bis nahe an die Umgebungstemperatur wird zum Beispiel eine Frischwasserkühlung verwendet, die aber wegen der schon bestehenden Wärmebelastung von Flüssen und Seen aus Gründen des Umweltschutzes nicht bevorzugt ist. Alternativ erfolgt daher die Wärmeabfuhr über Naß- und Trockenkühltürme an die Luft.

Zur Steigerung des Wirkungsgrades einer Wärmekraftmaschine ist außerdem bekannt, durch Vorwärmung des Speisewassers mit Anzapfdampf aus der Turbine die Prozeßabwärme zu verringern und die mittlere Temperatur der Wärmezufuhr anzuheben. Die obere Grenze dieses Verfahrens ist dadurch gegeben, daß bei einer zu hohen Vorwärmtemperatur des Speisewassers die Kessel-Abgas- Temperatur trotz Luftvorwärmung nicht mehr auf ihrem Tiefstwert gehalten werden kann. Außerdem ist diese Form der Abwärmerück führung nachteilig, da das Speisewasser maximal auf die Tempe ratur der Abwärme vorgewärmt werden kann.

Auch mit Hilfe moderner Großrechenanlagen ist die Optimierung von Variablen der Kreisprozesse von Wärmekraftmaschinen möglich, wie zum Beispiel bei Kraftwerken die Frischdampf- und Zwischen überhitzungszustände, Anzahl, Gütegrad und Anzapfdrücke der Vorwärmer, Größe und Ausführung des Kondensators, Auslegung des Kühlturms, etc. Jedoch ist eine Steigerung des Wirkungsgrades auch mit Hilfe dieser Maßnahmen nur begrenzt möglich.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, bei dem der thermische Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine gesteigert werden kann, ohne daß die oberen und/oder die untere Prozeßtemperatur des thermischen Kreisprozesses verändert werden muß. Es ist darüber hinaus Aufgabe der Erfindung, eine Wärmekraftmaschine zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen.

Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Wärmekraftmaschine mit den Merk malen des Anspruchs 14 gelöst. In den zugehörigen abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte und bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Wärme kraftmaschine angegeben.

Zum Verständnis der Erfindung ist die Erkenntnis wesentlich, daß der thermische Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine nicht mit dem thermischen Wirkungsgrad des darin ablaufenden Kreis prozesses identisch ist.

Der thermische Wirkungsgrad des Kreisprozesses ist definiert durch das Verhältnis von abgegebener Arbeit zu eingesetzter Wärmeenergie, und zwar pro Zyklus des Kreisprozesses. Der thermische Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine ist hingegen definiert durch das Verhältnis von abgegebener Arbeit zu eingesetzter Wärmeenergie, und zwar über alle Zyklen des Kreisprozesses summiert.

Beide Wirkungsgrade sind dann und nur dann gleich, wenn die Abwärme des Kreisprozesses die Maschine verläßt und über deren Systemgrenze hinweg ihrer Umgebung zugeführt wird. Bei herkömm lichen Wärmekraftmaschinen wird die dem Kreisprozeß entzogene Wärme niedriger Temperatur nach Abschluß eines jeweiligen Zyklus an die Umgebung abgeführt. Damit entspricht der Wirkungsgrad einer herkömmlichen Wärmekraftmaschine maximal dem Wirkungsgrad ihres thermodynamischen Kreisprozesses.

Der Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine ist dann größer als der Wirkungsgrad ihres zugehörigen Kreisprozesses, wenn die Abwärme ihres Kreisprozesses innerhalb der Maschine ganz oder teilweise erneut als Primärenergie eingesetzt werden kann (Abwärmerecycling). In diesem Fall braucht die in der Abwärme des Kreisprozesses enthaltene Energie nicht oder nur zum Teil durch neue Primärenergie ersetzt zu werden und der kumulierte Wirkungsgrad der Maschine steigt mit der Anzahl der durch laufenen Kreisprozeß-Zyklen.

Dieser Vorgang ist in Fig. 1 veranschaulicht. In Fig. 1 sind die Verläufe von Wirkungsgraden einer Wärmekraftmaschine dargestellt, in der ein hypothetischer Kreisprozeß mit einem thermischen Wirkungsgrad von 35% läuft. Diesem Kreisprozeß wird über mehrere Zyklen zu 0%, 20%, 40%, 60%, 80% bzw. 100% die abgeführte Abwärme wieder zugeführt (Abwärmerecycling). Ohne die Rückführung der Abwärme (Kurve bei 0%) ist der Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine gleich dem Wirkungsgrad des Kreisprozesses. Mit der Abwärmerückführung steigt der Wirkungsgrad der Wärme kraftmaschine über die Anzahl der Kreisprozeß-Zyklen und nähert sich asymptotisch dem theoretischen Maximum.

Fig. 2 zeigt den gleichen Vorgang für einen Kreisprozeß mit einem sehr schlechten Wirkungsgrad von nur 5%. Selbst für einen derart schlechten Prozeßwirkungsgrad kann der Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine über die Anzahl mehrerer Zyklen sehr weit angehoben werden. Bei einer ausreichend effizienten Abwärme rückführung kann eine solche Wärmekraftmaschine bei Nutzung von Niedertemperaturwärme wirtschaftlich betrieben werden.

Herkömmliche Wärmekraftmaschinen nach dem Stand der Technik verwenden nur einen einzigen internen Kreisprozeß. Sie verfügen entweder über einen Dampfkreisprozeß mit einem Phasenübergang des Arbeitsmediums (Dampfturbine, Dampfmaschine) oder über einen Gaskreisprozeß ohne einen Phasenübergang des Arbeitsmediums (Gasturbine, Otto-, Diesel-, Wankel-, Stirling-, Stelzermotor).

Bei herkömmlichen Wärmekraftmaschinen ist die Abwärmerück führung dadurch begrenzt, daß die Abwärmetemperatur bedeutend geringer ist als die erforderliche Temperatur der dem Kreis prozeß zuzuführenden Wärme. Daher kann nur ein geringer Teil der in der Abwärme enthaltenen Energie dem Kreisprozeß wieder zuge führt werden. Das Anheben des Temperaturniveaus der Abwärme auf die obere Prozeßtemperatur würde bei herkömmlichen Maschinen eine Wärmepumpe erfordern, damit die Energie der Abwärme dem Kreisprozeß erneut zugeführt werden könnte. Diese Wärmepumpe würde aber einen Teil der von der ersten Maschine erzeugten Wellenarbeit verbrauchen. Im Ergebnis ist die Abwärmerückführung für herkömmliche Wärmekraftmaschinen nach dem Stand der Technik wirtschaftlich nur in Grenzen möglich.

Das erfindungsgemäße Verfahren steigert nun den kumulativen thermischen Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen durch interne Abwärmerückführung ohne Verbrauch von Wellenarbeit für einen herkömmlichen Wärmepumpenprozeß.

Herkömmliche Maschinen verfügen entweder über einen einzigen Dampfkreisprozeß oder einen einzigen Gaskreisprozeß bzw. deren serielle Kopplung (Gas-/Dampfturbine, Verbrennungsmotor, GuD- Kraftwerk). Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine verfügt über je einen Dampf- und einen Gaskreisprozeß innerhalb einer Wärme kraftmaschine, also über zwei simultan ablaufende Kreisprozesse, die stofflich in der Gasphase miteinander "verschränkt" bzw. überlagert sind.

Der Dampfkreisprozeß dient der Erzeugung von Wellenarbeit. Der Dampfkreisprozeß bezieht seine Heizwärme aus einer äußeren Wärmequelle, wobei die Abwärme des Dampfkreisprozesses die Heizwärme für den gekoppelten Gaskreisprozeß ist. Das Arbeits medium A im Dampfkreisprozeß ist ein Stoff oder Stoffgemisch, dessen Komponenten ein deutlich höheres molekulares Dipolmoment besitzen als eine Komponente B des Arbeitsmediums AB in dem Gas kreisprozeß, die sich im wesentlichen permanent in einem gasför migen Zustand befindet. Im Dampfkreisprozeß durchläuft das Arbeitsmedium A einen zyklischen Phasenwechsel zwischen Flüssig keit und Gas, und zwar weitgehend wie in einer herkömmlichen Dampfmaschine bzw. Dampfturbine.

Der Gaskreisprozeß dient der Abwärmerückführung innerhalb der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine. Hierzu wird die in dem entspannten Arbeitsmedium A enthaltene Abwärme des Dampfkreis prozesses stofflich dem Gaskreisprozeß als Heizwärme zur Erzeu gung von Wellenarbeit zugeführt. Der Gaskreisprozeß wandelt einen Teil der Abwärme des Dampfkreisprozesses ebenfalls in Wellenarbeit um. Sein Arbeitsmedium AB (= Arbeitsmedium im Gaskreisprozeß) ist ein Gemisch aus einem gasförmigen Teil des Arbeitsmediums A des Dampfkreisprozesses und einer stets gas förmigen Komponente B des Arbeitsmediums im Gaskreisprozeß. Die Komponente B ist ein Stoff oder ein Stoffgemisch dessen Bestand teile ein deutlich niedrigeres molekulares Dipolmoment besitzen als die Stoffbestandteile des Arbeitsmediums A aus dem Dampf kreisprozeß. Im Gaskreisprozeß wird dem Arbeitsmedium AB regel mäßig eine gasförmige Menge des Arbeitsmediums A aus dem Dampf kreisprozeß zugeführt und in flüssiger Form wieder entzogen. Dadurch verändert sich der prozentuale Mengenanteil von A innerhalb von AB über einen geschlossenen Zyklus des Gaskreis prozesses periodisch.

Die stoffliche Verschränkung beider Kreisprozesse in der Gasphase dient dem unmittelbaren Austausch von Wärmeenergie zwischen den Stoffen bzw. Stoffgemischen A und AB der beiden Kreisprozesse und der Kondensation des Arbeitsmediums A. Der Austausch von Wärmeenergie erfolgt unter Ausnutzung der Brown'schen Molekularbewegung durch elastische Stöße zwischen Gasmolekülen der Stoffe beider Arbeitsmedien (Stoßzahl in der Größenordnung von 10¹⁰ pro Sekunde). Auf mikroskopischer Ebene unterliegt die kinetische Energie der Moleküle (die äquivalent zur Temperatur ist) einer statistischen Wahrscheinlichkeitsver teilung gemäß Maxwell'scher Theorie. Zur Erläuterung sei ange merkt, daß die Atome bzw. Moleküle eines Gases oder in einer Flüssigkeit sich pausenlos bewegen und dauernd miteinander zusammenstoßen. Durch die Stoßprozesse ändern sie ständig ihre Bewegungsrichtung, ihre Energie und somit auch ihre Geschwindig keit. Die Geschwindigkeit in einem Gas oder in einer Flüssigkeit ist also nicht bei allen Atomen bzw. Molekülen gleich, sondern folgt der Maxwell'schen Geschwindigkeitsverteilung. Auf moleku larer Ebene sind Temperatur und kinetische Energie über die Boltzmann-Konstante gekoppelt, wobei die mittlere kinetische Energie eines Teilchen unter Vernachlässigung von Rotations- und Schwingungsenergie E = 3kT/2 ist. Demzufolge gibt es in der Gasphase nicht nur eine Temperatur, sondern ein Spektrum von Temperaturen, die zur statistischen Verteilung der Molekül geschwindigkeiten äquivalent ist. Die chaotische Bewegung der Moleküle aus den Stoffgruppen A und B in der Gasphase produziert elastische Stöße zwischen Molekülen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Dipolmomenten. Stöße zwischen langsamen (= kalten) Molekülen der Stoffgruppe des Arbeitsmediums A mit hohem molekularen Dipolmoment führen aufgrund des Einflusses der zwischenmolekularen Kräfte zu einer Koagulation der Stoßpartner und damit zur Bildung von größeren Molekülverbänden und schließ lich von Tröpfchen. Stöße zwischen den Molekülverbänden und den schnellen Einzelmolekülen der Stoffgruppen A und B führen zu einer Nettoübertragung von kinetischer Energie (= Wärme) von den schwereren Tröpfchen an die leichteren Stoßpartner. Damit wird die Gasphase AB des Gaskreisprozesses in schnelle (= heiße) und langsame (= kalte) Mengenanteile getrennt.

Makroskopisch gesehen erfolgt ein Phasenübergang des Arbeits mediums A durch eine spontane Nebelbildung aus dem Stoffgemisch AB im Gaskreisprozeß der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine. Die Tropfen dieses Nebels können anschließend über eine Phasen trennung mittels konservativer Kraftfelder (beispielsweise Gravitation oder Zentrifugalfeld) aus der Gasphase des Gaskreis prozesses entfernt und über eine Speisewasserpumpe wieder dem Dampfkreisprozeß zugeführt werden. Damit wird dem Gaskreisprozeß ein Strom des Arbeitsmediums A in gasförmiger Phase zugeführt und in flüssiger Phase wieder entzogen. Die dem Gaskreisprozeß zugeführte Wärme ist die in dem zugeführten gasförmigen Mengen anteil A enthaltene latente Wärme, die der Kondensationswärme entspricht. Der Wärmeübergang vom Dampfkreisprozeß zum Gaskreis prozeß erfolgt durch Kondensation des Arbeitsmediums A in dem Gaskreisprozeß. Die Abwärme des Gaskreisprozesses ist die mit der flüssigen Phase des Arbeitsmediums A abgeführte Wärme. Die Differenz zwischen zugeführter und abgeführter Wärme ist die Kondensationswärme des Stoffstroms der zwischen Dampfkreisprozeß und Gaskreisprozeß ausgetauschten Menge des Arbeitsmediums A. Sie entspricht der im Gaskreisprozeß maximal erzeugbaren Wellen arbeit. Damit kann die Kondensationswärme des Dampfkreis prozesses der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine im Gaskreis prozeß (abzüglich der gegebenenfalls abgestrahlten Wärme) voll ständig in Wellenarbeit umgewandelt werden. Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine hat also mit Ausnahme der abgestrahlten Wärme keine weitere Abwärme. Damit wird der Wirkungsgrad einer erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine gegenüber herkömmlichen Wärmekraftmaschinen selbst bei einem schlechtem Wirkungsgrad des Dampfkreisprozesses über die Anzahl der Kreisprozeßzyklen gesteigert. Daraus folgt, daß die erfindungsgemäße Wärmekraft maschine auch als Energiewandler für die Nutzung von Niedrig temperaturwärme geeignet ist.

Für den Betrieb der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine im Niedrigtemperaturbereich sind beispielsweise folgende Stoff kombinationen möglich:

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine zur Durchführung dieses Verfahrens sind nachfolgend unter Bezugnahme auf die bei liegenden Zeichnungen beschrieben; es zeigen:

Fig. 1 den über 20 Zyklen kumulierten Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine mit einem Anfangswirkungsgrad von 35%;

Fig. 2 den über 200 Zyklen kumulierten Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine mit einem Anfangswirkungsgrad von 5%;

Fig. 3 das pV-Diagramm eines Dampfkreisprozesses, der erfin dungsgemäß mit einem Gaskreisprozeß gekoppelt ist;

Fig. 4 eine Darstellung der Energieflüsse zwischen den Kreis prozessen der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine;

Fig. 5 Darstellungen der Maxwell-Verteilung und der Nebel kondensation der beiden Arbeitsmedien A bzw. AB;

Fig. 6 eine detaillierte Darstellung der einzelnen Funktions bausteine der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine; und

Fig. 7 eine Darstellung der Funktionsbausteine einer kompakten Wärmekraftmaschine gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 sind verschiedene Verläufe von Wirkungsgraden einer hypothetischen Wärmekraftmaschine über 20 Zyklen darge stellt. Der Kreisprozeß der Wärmekraftmaschine hat einen ther mischen Wirkungsgrad von 35%. Die Wärmekraftmaschine hat den gleichen Wirkungsgrad, solange keine Abwärme an den Kreisprozeß zurückgeführt wird (Verlauf bei 0%). Wenn dem Kreisprozeß über mehrere Zyklen hinweg die von ihm abgegebene Abwärme zu einem bestimmten Teil wieder zugeführt wird, so steigt der Wirkungs grad der Wärmekraftmaschine langsam an. Bei einer Abwärmerück führung von beispielsweise 80% erreicht die gezeigte Wärmekraft maschine nach 20 Zyklen einen Wirkungsgrad von etwa 70%.

In Fig. 2 ist der gleiche Vorgang für einen Kreisprozeß mit einem Wirkungsgrad von nur 5% dargestellt. Wie in Fig. 2 zu sehen ist, steigt der Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine bei einer Abwärmerückführung von 80% auf einen Wert von etwa 20%. Mit Hilfe der Abwärmerückführung ließe sich der Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine gegenüber dem Wirkungsgrad des Kreisprozesses also etwa vervierfachen.

In Fig. 3 sind ein Dampfkreisprozeß (linkes pV-Diagramm) und ein Gaskreisprozeß (rechtes pV-Diagramm) schematisch in ihrer stofflichen Kopplung gezeigt. Als Dampfkreisprozeß ist hier ein einfacher Prozeß ohne mehrfache Zwischenüberhitzung dargestellt. Das Verfahren läßt sich ebenfalls auf alle anderen Dampfkreis prozesse anwenden. Der Dampfkreisprozeß enthält sechs ausge zeichnete Punkte D1 bis D6. Der Gaskreisprozeß enthält vier ausgezeichnete Punkte G1 bis G4. Die einzelnen Schritte sind nachfolgend im einzelnen erläutert:

D1-D2 Die Flüssigkeit des Dampfkreisprozesses wird über eine Pumpe von niedrigem auf hohen Druck gefördert und einem Verdampfer bei hohem Druck zugeführt.

D2-D3 Das Arbeitsmedium A wird in dem Verdampfer bei hohem Druck unter Wärmezufuhr (Q_zu) verdampft und von der flüssigen in die gasförmige Phase überführt.

D3-D4 Der Dampf wird überhitzt, wobei diese Überhitzung nicht zwingend erforderlich ist. Bei Auslegung der Maschine zur Nutzung von Niedrigtemperaturwärme kann eine Über hitzung wegfallen.

D4-D5 Der Dampf wird unter Abgabe von Wellenarbeit entspannt, bis sein Druck dem Mischungsdruck des Gaskreisprozesses entspricht. (Anmerkung: Der Punkt wurde im Heißdampf gebiet dargestellt, er kann aber auch im Naßdampfgebiet liegen).

D5-D6 Diese Strecke wäre bei einem herkömmlichen Dampfkreis prozeß die vollständige Entspannung des Dampfes bis in das Naßdampfgebiet. Dieser Vorgang findet bei der erfindungsgemäßen Maschine jedoch im Gaskreisprozeß statt.

D6-D1 Diese Strecke wäre bei einem herkömmlichen Dampfkreis prozeß die Überführung des Dampfkreisprozeßarbeits mediums A von der gasförmigen in die flüssige Phase, indem durch Wärmeentzug die Kondensation erzwungen wird. Die schraffierte Fläche Q_ab entspricht der Abwärme des Dampfkreisprozesses. Dieser Vorgang findet bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ebenfalls im Gaskreisprozeß statt.

D5-G2 Überleitung des ganz oder teilweise entspannten gas förmigen Arbeitsmediums A des Dampfkreisprozesses in den Gaskreisprozeß, und Zumischung des gasförmigen Arbeitsmediums A zu dem komprimierten gasförmigen Arbeitsmedium AB des Gaskreisprozesses. Durch eine Zumischung des Arbeitsmediums A in das Gasgemisch AB steigt die relative Feuchtigkeit des Gasgemisches AB bezüglich der Komponente A.

Nachfolgend wird der Gaskreisprozeß von seinem ersten Schritt an erläutert:

G1-G2 Adiabate Kompression des Gasprozeßarbeitsmediums AB. Dadurch steigen Druck und Temperatur des Mediums AB, und seine relative Feuchtigkeit bezüglich der Stoff komponente A sinkt. Am Punkt G2 wird eine Stoffmenge des Mediums A aus dem Dampfkreisprozeß hinzugemischt, wie für den Übergang D5-G2 beschrieben.

G2-G3 Der eigentliche Mischvorgang: Hier steigt die Menge und damit das Volumen des im Gaskreisprozeß befindlichen Gasgemisches AB um die zugeführte Stoffmenge des Mediums A aus dem Dampfkreisprozeß, und die relative Feuchtigkeit des Gemisches AB bezüglich der Stoffkompo nente A steigt an. Der Mischvorgang ist hier isobar dargestellt, was nicht zwingend notwendig ist. Das heißt, daß der Mischvorgang auch unter Druckveränderung erfolgen kann. Die Mischung erfolgt unter Abgabe von Wellenarbeit.

G3-G4 Das Gasgemisch wird unter Abgabe von Wellenarbeit adiabat entspannt. Dabei sinken Druck und Temperatur des Arbeitsmediums AB, und die relative Feuchtigkeit des Gasgemisches AB bezüglich seiner Stoffkomponente A übersteigt die Sättigungsgrenze. Die Moleküle des Stoffes A mit höherem Dipolmoment koagulieren zu Tröpfchen unter Abgabe ihrer kinetischen Energie an die in der Gasphase verbleibenden Teilchen AB. Es bildet sich Nebel unter Senkung von Druck und Volumen der verbleibenden Restgasmenge AB. Die relative Feuchtig keit der Gasphase AB bezüglich des Stoffes A steigt auf 100%. Die latente Kondensationswärme der als Nebel kondensierten Menge des Stoffes A verbleibt in der Restgasmenge AB.

G4-G1 Volumenabnahme durch Flüssigkeitsentzug: Der Nebel wird über eine Phasentrennung im konservativen Kraftfeld (vorzugsweise einem Zentrifugalfeld) aus der Restgas menge des Arbeitsmediums AB entfernt und wieder dem Dampfkreisprozeß als Flüssigkeit zugeführt. Die Punkte G4 und G1 liegen tatsächlich sehr dicht beieinander, so daß die Umrandung des Gaskreisprozesses im pV-Diagramm fast ein Dreieck ergibt.

G4-D1 Dieser Schritt beschreibt den Stoffaustausch bezüglich des flüssigen Arbeitsmittels A vom Gaskreisprozeß in den Dampfkreisprozeß. Die dem Gaskreisprozeß entzogene Flüssigkeitsmenge des Stoffes A mit hohem molekularen Dipolmoment wird dem Dampfkreisprozeß also erneut zugeführt.

Die von dem Linienzug D-1-2-3-4-5-6-1 umrandete Fläche ent spricht der im Dampfkreisprozeß maximal erzeugbaren Arbeit. Die von dem Linienzug G-1-2-3-4-1 umrandete Fläche entspricht der im Gaskreisprozeß maximal erzeugbaren Arbeit. Die Abwärme des Dampfkreisprozesses wird mit dem Abgas des Dampfkreisprozeß arbeitsmittels A von Punkt D5 an Punkt G2 als Eingangswärme an den Gaskreisprozeß überführt, und die Abwärme des Gaskreis prozesses wird mit der kondensierten Flüssigkeit vom Punkt G4 zum Punkt D1 als Eingangswärme in den Dampfkreisprozeß über führt. Beide Kreisprozesse produzieren Arbeit und Abwärme aus zugeführter Wärme. Die Kombination der beiden Kreisprozesse in einer Wärmekraftmaschine führt dazu, daß diese keine Abwärme an die Umgebung abgibt.

Fig. 4 zeigt die Energieflüsse in der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine zwischen dem Dampfkreisprozeß und dem Gas kreisprozeß. Die Maschine enthält zwei Kreisprozesse, die jeder Wellenarbeit (W_D und W_G) und Abwärme (Q_D und Q_G) aus zugeführter Wärme erzeugen. Wie aus Fig. 4 ersichtlich, wird dem Dampf kreisprozeß die Wärme Q_extern plus Q_G zugeführt, und dem Gaskreis prozeß wird die Wärme Q_D zugeführt. Dadurch, daß die beiden Kreisprozesse wechselseitig ihren jeweiligen Abwärmestrom als zugeführte Wärme wiederverwenden, kann die Maschine den von außen zugeführten Wärmestrom Q_extern vollständig in Wellenarbeit W_extern umwandeln (abzüglich gegebenenfalls abgestrahlter Wärme).

Dieses ist möglich, weil unter Ausnutzung der zwischenmole kular wirkenden Dipolmomente realer Gase aufmikroskopischer Ebene eine Separierung von schnellen (= heißen) und langsamen (= kalten) Teilchen über eine Kondensation durch Nebelbildung und anschließende Trennung im konservativen Kraftfeld erfolgt.

Die Energieübertragung zwischen den Molekülen in der Gasphase erfolgt durch elastischen Stoß und unterliegt keiner Richtungs beschränkung. Auf molekularer Ebene kann beim elastischen Stoß eine Nettoübertragung kinetischer Energie (= Wärme) von einem schweren und langsamen (= kalten) Stoßpartner auf einen leichten und schnellen (= heißen) Stoßpartner erfolgen. Da die Molekül geschwindigkeiten nach Maxwell einer statistischen Verteilung unterliegen, gibt es immer Stoßpartner, die deutlich schneller oder langsamer sind, als es der makroskopisch gemessenen Tempe ratur entsprechen würde. Die Gasmischung aus Molekülen mit großem und kleinem Dipolmoment führt daher zwangsläufig bei Temperaturrückgang zu einer Koagulation von Molekülen mit hohem Dipolmoment, die dann als schwerere Stoßpartner beim elastischen Stoß mit Molekülen, die ein kleineres Dipolmoment haben, noch mehr kinetische Energie (= Wärme) verlieren. Der Temperatur rückgang wird durch die adiabate Expansion (siehe Schritt G3-G4) erzwungen, so daß langsame Moleküle mit großem Dipolmoment aneinander haften bleiben müssen und ihre kinetische Energie an Moleküle mit geringem Dipolmoment abgeben. Weil die Übertragung der Kondensationswärme in der Gasphase nicht zwischen Körpern unterschiedlicher Temperatur, sondern auf molekularer Ebene über den elastischen Stoß zwischen Teilchen im Spektrum der Maxwell'schen Geschwindigkeitsverteilung stattfindet, bleibt der zweite Hauptsatz der Thermodynamik gewahrt.

Dieser Vorgang ist in Fig. 5 dargestellt. In dem linken Diagramm in Fig. 5 ist die Maxwell'sche Geschwindigkeitsver teilung des gasförmigen Gemisches der beiden Arbeitsmedien A und B dargestellt, wobei N(u) jeweils die Anzahl der Mole küle angibt, die eine bestimmte Geschwindigkeit u haben. Bei Abkühlung erfolgt eine Nebelkondensation durch adiabate Konden sation. Eine Mischung der Arbeitsmedien A und B mit einer Verminderten Konzentration des Arbeitsmediums A verbleibt weiterhin im gasförmigen Zustand (rechtes oberes Diagramm in Fig. 5). Das Arbeitsmedium A bildet hingegen Tröpfen und kann aus das Gasphase beispielsweise mit Hilfe einer Zentrifuge entfernt werden (rechtes unteres Diagramm in Fig. 5).

Ein Stoffaustausch findet nur zwischen den beiden Kreis prozessen innerhalb der Maschine und nicht mit der Umgebung statt. Die Maschine kann als geschlossenes System konstruiert werden, deren Systemgrenze nur für Wärmeenergie und Wellenarbeit durchlässig ist. Da die Maschine keine Abwärme an die Umgebung zurückführen muß, kann sie Wärmeenergie niedriger Temperatur als Wärmequelle nutzen. Hierzu ist erforderlich, daß der Dampfkreis prozeß eine Phasenübergangstemperatur unterhalb der Temperatur der Niedrigtemperaturwärmequelle besitzt. Anderenfalls kann die Niedrigtemperaturwärme nicht zur Verdampfung des Dampfkreislauf arbeitsmediums herangezogen werden. Da die Abstrahlverluste dann gering sind, wenn die Wärmeenergie bei niedriger Temperatur zugeführt wird, ist der Wirkungsgrad der Maschine bei Einsatz von Niedrigtemperaturwärme sogar besser als bei Einsatz von Hochtemperaturwärme.

Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine kann als Kolbenma schine (Motor) oder als Strömungsmaschine (Turbine) konzipiert sein. Da zur Phasentrennung des Nebels ein Zentrifugalfeld vor teilhaft ist, wird vorzugsweise eine Strömungsmaschine ver wendet, da in den drehenden Teilen einer Turbine leicht ein solches Zentrifugalfeld erzeugt werden kann.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 6 und 7 werden zwei Strö mungsmaschinen beschrieben, die zur Umsetzung des erfindungs gemäßen Verfahrens geeignet sind.

Fig. 6 zeigt ein umfangreiches System, welches für einen Dampfkreisprozeß mit Überhitzung geeignet ist, und Fig. 7 zeigt ein kompaktes System, das als Minimalkonfiguration nur noch die absolut notwendigen Systemelemente enthält.

Beide Abbildungen enthalten nur die Funktionsbausteine der jeweiligen Maschinen ohne konstruktive Auslegung, sowie eine Darstellung der Stoffströme zwischen den Bausteinen.

Wie in Fig. 6 dargestellt, enthält eine erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine mindestens die Funktionsbausteine: Pumpe, Verdampfer, Dampfturbine, Mischkammer, Gasturbine, Kondensator, Zentrifuge und Verdichter. Dabei enthält der Dampfkreisprozeß die Bausteine: Pumpe, Verdampfer, Dampfturbine und Kondensator. Der Gaskreisprozeß enthält die Bausteine: Gasturbine und Ver dichter. Der Stoffaustausch zwischen den beiden Kreisprozessen erfolgt mittels einer Mischkammer und einer Zentrifuge. Die Wellenarbeitsverbraucher sind Verdichter, Pumpe und Zentrifuge, die von der Gas- und/oder der Dampfturbine angetrieben werden. Gleichzeitig geben die Dampf- und/oder die Gasturbine Wellen arbeit an einen externen Verbraucher ab.

Dem Verdampfer wird über die Pumpe flüssiges Arbeitsmedium A zugeführt, bei hohem Druck unter Wärmezugabe verdampft und in der Dampfturbine unter Abgabe von Wellenarbeit entspannt. Das Abgas der Dampfturbine wird in der Mischkammer mit dem vom Verdichter komprimierten Arbeitsgas AB des Gaskreisprozesses vermischt und über die Gasturbine unter Abgabe von Wellenarbeit entspannt. Nach Verlassen der Gasturbine entsteht Nebel im Kondensator. Der Nebel wird in der Zentrifuge aus der Gasphase des Gaskreisprozesses entfernt und dem Dampfkreisprozeß über die Pumpe erneut als Flüssigkeit zugeführt.

In Fig. 7 sind die Funktionsbausteine Dampf- und Gasturbine sowie die Mischkammer in dem Baustein Turbine und die Funktions bausteine Kondensator und Zentrifuge in dem Baustein Konden sationszentrifuge zusammengefaßt. Die Gasströme beider Kreis prozesse werden hier direkt in einer Turbine zusammengeführt, deren Abgas in der Kondensationszentrifuge in die beiden Phasen getrennt wird. Pumpe und Verdichter führen die jeweiligen Fluide wieder in den Kreislauf zurück. Ein solches Aggregat kann sehr kompakt gebaut werden.

Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine kann sowohl im Hochtemperaturbereich als auch im Niedrigtemperaturbereich eingesetzt werden, sofern die Phasenübergangstemperatur des Dampfkreisprozesses unter der Temperatur der Wärmequelle liegt. Da die Wärmekraftmaschine keinen Stoffaustausch mit der System umgebung erfordert, ist sie vollkommen umweltneutral. Im Niedrigtemperaturbereich können Werkstoffe zum Einsatz kommen, die im Hochtemperaturbereich mangels Warmfestigkeit nicht verwendet werden dürfen.

Damit lassen sich für Niedrigtemperaturwärmekraftmaschinen, die keinen Stoffaustausch mit der Umgebung haben, Anwendungen erschließen, die herkömmlichen Maschinen nach dem Stand der Technik im Hochtemperaturbereich nicht zugänglich sind.

Claims

1. Verfahren zur Umsetzung von Wärmeenergie in mechanische Energie in einer Wärmekraftmaschine mit einem ersten thermodynamischen Kreisprozeß, bei dem ein Teil der Abwärme des ersten Kreisprozesses wieder in den ersten Kreisprozeß zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein zweiter Kreisprozeß vorgesehen ist, wobei die Abwärme des ersten Kreisprozesses dem zweiten Kreis prozeß zugeführt und die Abwärme des zweiten Kreisprozes ses dem ersten Kreisprozeß zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Kreisprozeß ohne Stoffaustausch mit der Umgebung gleichzeitig ablaufen.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kreisprozeß ein Dampfkreis prozeß und der zweite Kreisprozeß ein Gaskreisprozeß ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Dampfkreisprozeß ein Arbeits medium A verwendet wird, das einen Stoff oder ein Stoff gemisch mit einem hohen molekularen Dipolmoment enthält, und daß im Gaskreisprozeß ein Arbeitsmedium AB verwendet wird, das ein Gemisch AB aus der gasförmigen Phase des Dampfkreisprozeßarbeitsmediums A und einer zweiten Kompo nente B enthält, die ein Stoff oder ein Stoffgemisch mit einem niedrigen molekularen Dipolmoment enthält.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die der Wärmekraftmaschine von außen zugeführte Wärmeenergie vorzugsweise zur Verdampfung des flüssigen Dampfprozeßarbeitsmediums A dient.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Gaskreisprozeß und dem Dampfkreisprozeß ein Stoffaustausch stattfindet.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Dampfkreisprozeßarbeitsmedium A durch Stoffaustausch zyklisch an beiden Kreisprozessen teilnimmt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gasförmige Phase des Dampfkreis prozeßarbeitmediums A mit der gasförmigen Phase des Gaskreisprozeßarbeitsmediums AB gemischt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Dampfkreisprozeß unter Abgabe von Wellenarbeit ein zyklischer Phasenwechsel flüssig gasförmig-flüssig eines Arbeitsmediums A stattfindet.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Gaskreisprozeß unter Abgabe von Wellenarbeit ein zyklischer Mengen- bzw. Konzentrations wechsel des Dampfkreisprozeßarbeitsmediums A bezüglich des Gaskreisprozeßarbeitsmediums AB stattfindet.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kondensation des Dampfkreis prozeßarbeitsmediums A im wesentlichen innerhalb und während der Expansionsphase des Gaskreisprozeßarbeits mediums AB stattfindet.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der durch Phasenübergang des Dampf kreisprozeßarbeitsmediums A entstandene Nebel mit Hilfe eines konservativen Kraftfelds, vorzugsweise eines Zentri fugalfelds, aus dem Gaskreisprozeßarbeitsmedium AB sepa riert und dem Arbeitsmedium A des Dampfkreisprozesses als Flüssigkeit erneut zugeführt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Dampfkreisprozeßarbeitsmedium A und die zweite Komponente B des Gaskreisprozeßarbeits mediums AB in den Kombinationen vorliegen können:
A = Wasser und B = Luft;
A = Kohlendioxid und B = Luft/Stickstoff;
A = Ammoniak und B= Luft/Stickstoff;
A = Kältemischung und B = Luft/Stickstoff;
A = Stickstoff und B = Wasserstoff; oder
A = Stickstoff und B = Edelgas.

14. Wärmekraftmaschine zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

15. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich net, daß die Wärmekraftmaschine mindestens die Funktions bausteine Pumpe, Verdampfer, Dampfturbine, Mischkammer, Gasturbine, Kondensator, Zentrifuge und Verdichter ent hält.

16. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 15, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Arbeitsmedium A des Dampfkreisprozesses unter Druckerhöhung dem Verdampfer zugeführt, dort unter Zufuhr von Wärmeenergie verdampft und in der Dampfturbine unter Abgabe von Wellenarbeit expandiert wird.

17. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 15 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas der Dampfturbine in der Mischkammer mit dem komprimierten Arbeitsmedium AB des Gaskreisprozesses vermischt, in der Gasturbine unter Abgabe von Wellenarbeit expandiert und in einem Konden sator durch Expansion zur Nebelbildung gebracht wird, daß der Nebel des Dampfprozeßarbeitsmediums A in der Zentri fuge separiert und als Flüssigkeit über die Pumpe dem Verdampfer zugeführt wird und daß das verbleibende Gas kreisprozeßarbeitsmedium AB aus der Zentrifuge über den Verdichter erneut der Mischkammer zugeführt wird.

18. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß Verdichter, Pumpe und Zen trifuge von der Dampfturbine und/oder der Gasturbine angetrieben werden.

19. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfturbine und/oder die Gasturbine an einen externen Verbraucher Wellenarbeit abgeben.

20. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionsbausteine Dampf turbine, Gasturbine und Mischkammer zu einer Funktionsein heit Turbine, und die Funktionsbausteine Kondensator und Zentrifuge zu einer Funktionseinheit Kondensationszen trifuge zusammengefaßt sind.

21. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenübergangstemperatur des Dampfprozeßarbeitsmediums unter der Umgebungstempe ratur der Wärmekraftmaschine liegt.